(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池を冷却する冷却系に発生する温度分布の偏りを解消し、凍結を防止する。【解決手段】燃料電池スタック１０を冷却する冷却水を通過させる冷却水供給配管４４に設けられ、冷却水ポンプ４１にて冷却水供給配管４４内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンク４３内の冷却水の温度を検出し、一定時間毎又は検出されるリザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、冷却水供給配管４４内を循環させる冷却水の冷却水流量を、冷却水の検出温度が氷点に近くなるほど、一時的に所定時間だけ増加させるように冷却水ポンプ４１の仕事量を制御することで実現する。【選択図】図１
2007122962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を冷却する冷却水を通過させる冷却経路と、
前記冷却経路内の冷却水を循環させる冷却水循環装置と、
前記冷却経路に設けられ、前記冷却経路内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンクと、
前記リザーバタンク内の冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
一定時間毎又は前記冷却水温度検出手段によって検出される前記リザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、前記冷却経路内を循環させる冷却水の冷却水流量を、一時的に所定時間だけ増加させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段によって検出される前記冷却水の温度が氷点に近くなるほど冷却水流量の増加量を増大させ、前記冷却水の温度が氷点から遠くなるほど冷却水流量の増加量を減少させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
当該燃料電池システムの外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記外気温度検出手段によって検出される外気温度に応じて、前記外気温度が低いほど冷却水の冷却水流量を増加させる前記所定時間を増やし、前記外気温度が高いほど冷却水の冷却水流量を増加させる前記所定時間を減らすよう制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
当該燃料電池システムは、上記燃料電池で発電された電力を動力源として走行する車両に搭載され、
前記制御手段は、前記車両の速度が遅いほど冷却水流量の増加量が制限されるよう前記冷却水循環装置の仕事量を制御し、
前記燃料電池で発電される電力量が小さいほど冷却水流量の増加量が制限されるよう前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段によって検出される冷却水温度が、氷点近傍の所定の温度以下であった場合、前記車両の速度、前記燃料電池で発電される電力量に基づく制限を受けることなく、前記冷却水流量が、前記所定時間だけ増加されるよう前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムの冷却系凍結防止方法において、
前記燃料電池を冷却する冷却水を通過させる冷却経路に設けられ、冷却水循環装置にて前記冷却経路内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンク内の冷却水の温度を検出する冷却水温度検出工程と、
一定時間毎又は前記冷却水温度検出工程によって検出される前記リザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、前記冷却経路内を循環させる冷却水の冷却水流量を、一時的に所定時間だけ増加させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御する制御工程とを備え、
前記制御工程は、前記冷却水温度検出工程によって検出される前記冷却水の温度が氷点に近くなるほど冷却水流量の増加量を増大させ、前記冷却水の温度が氷点から遠くなるほど冷却水流量の増加量を減少させるように前記冷却水循環装置の仕事量を制御すること
を特徴とする冷却系凍結防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、燃料電池の冷却系の温度分布の偏りを良好に解消して凍結を防止する燃料電池システム及び冷却系凍結防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の枯渇危機、並びに化石燃料の燃焼による大気汚染、地球温暖化の問題に対応すべく、圧縮された燃料ガスを消費することで走行する車両が考案されている。このように燃料ガスを消費することで走行する車両としては、例えば、燃料ガスとして水素ガスを用い、水素ガスと空気ガス中の酸素との化学反応により発生させた電気エネルギーで走行する燃料電池車がある。
【０００３】
このような燃料電池車などに搭載される燃料電池は、その発電原理上、起動時から常に当該燃料電池内部に水分が残留してしまう。このように燃料電池内部には、残留水分が存在することから気温が氷点下となった場合には、水分が凍結してしまい燃料電池システムが機能しなくなってしまう。
【０００４】
したがって、燃料電池を搭載した車両などの移動体を寒冷地で使用する場合や、燃料電池を寒冷地での定置用として使用する場合には、低温環境下に燃料電池がさらされてしまう可能性が高く、最悪の場合、凍結により燃料電池を発電させることができない状況が考えられる。
【０００５】
そこで、寒冷地で燃料電池を起動する際に、燃料電池内部で生成した水が凍結するのを防止するために、燃料電池の内部温度に応じて、燃料電池を冷却する冷却水の供給制御をすることで、燃料電池内部で生成される生成水の凍結を防止する手法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１で開示されている手法では、冷却水が凍結の虞がある温度になると冷却水ポンプを停止し、燃料電池への冷却水の供給を停止させるよう制御しているため、冷却系に燃料電池で発熱された熱を伝えることができない。したがって、例えばラジエータなどのように冷却系を構成する部品によっては、外気温によって冷やされ続けてしまうため、このような構成部品は凍結の可能性が非常に高くなってしまう。さらに、特許文献１で開示されている手法では、冷却水の流れを止めてしまうので、冷却水の経路、冷却系を構成する部品の内部温度の分布に偏りが生じ、温度が低い箇所での凍結も考えられる。
【０００７】
また、冷却水が凍結に至るまで温度が低下しなくても、冷却水温度を燃料電池の運転制御に用いている場合などには、冷却系に温度分布の偏りがあることで正確な冷却水温度を検出することができず安定した運転制御を実行することができないというような問題も発生してしまう。このように、燃料電池の冷却系に温度分布の偏りがあると、様々な弊害を招いてしまうことになる。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池を冷却する冷却系に発生する温度分布の偏りを防止する燃料電池システム及び冷却系凍結防止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するために、燃料電池を冷却する冷却水を通過させる冷却経路に設けられ、冷却水循環装置にて冷却経路内を循環させる冷却水を供給するリザーバタンク内の冷却水の温度を検出し、一定時間毎又は検出されるリザーバタンク内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、冷却経路内を循環させる冷却水の冷却水流量を、一時的に所定時間だけ増加させるように冷却水循環装置の仕事量を制御する。このとき、検出される冷却水の温度が氷点に近くなるほど冷却水流量の増加量を増大させ、冷却水の温度が氷点から遠くなるほど冷却水流量の増加量を減少させるように冷却水循環装置の仕事量を制御することで実現する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池を冷却する冷却系に発生する温度分布の偏りを良好に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明をする。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の燃料極であるアノード１１に水素を供給する水素ガス循環供給系２０と、燃料電池スタック１０の酸化剤極であるカソード１２に酸化剤ガスである空気ガスを供給する空気ガス供給系３０と、発電により昇温した燃料電池スタック１０を冷却水を循環させることで冷却する冷却系４０と、燃料電池スタック１０からの出力を取り出し負荷へと供給する出力系５０と、当該燃料電池システムの運転を統括的に制御するシステムコントローラ６０とを備えている。
【００１４】
この燃料電池システムは、冷却系４０の温度分布の偏りを防止し、特に、低温環境下での冷却系４０の温度分布の偏りを防止することで冷却系４０全体の凍結防止を実現する。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、発電単位である単セルを複数積層することで構成され、アノード１１に燃料ガスとして供給される水素ガスと、カソード１２に供給される空気ガス中の酸素の化学反応により発電する。例えば、燃料電池スタック１０は、電解質として高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）などであり、単セルの構造が、高分子電解質膜の両側に触媒層をそれぞれ設け、燃料極、酸化剤極が形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）として一体化されている。
【００１６】
燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０内の温度を測定する温度センサ１３が設けられている。温度センサ１３で測定された燃料電池スタック１０内の温度は、システムコントローラ６０に出力される。
【００１７】
水素ガス循環供給系２０は、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクといった水素ガス供給源２１と、水素ガス圧力調整弁２２が設けられ、水素ガス供給源２１に貯蔵された水素ガスを燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する水素ガス供給配管２３と、蒸気を凝縮して水分を分離する図示しない水分離器、パージ弁が設けられ、アノード１１の水素ガスに含まれる不純物ガスを排出する水素ガス排出配管２４と、水素ガスを循環させる循環ポンプ２５が設けられ、アノード１１の水素ガスを循環させる水素ガス循環配管２６と、水素ガス循環配管２６を介して循環ポンプ２５で循環される水素ガスを水素ガス供給配管２３へと合流させる合流部（エゼクタ等）２７とを備えている。
【００１８】
循環ポンプ２５は、システムコントローラ６０によって駆動制御される。循環ポンプ２５は、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック１０で発電された電力を使用して駆動されるが、燃料電池システムの起動時及び燃料電池システムが停止され凍結固着防止処理がなされる際には、外部からの充電可能な燃料電池スタック１０の補助電源である後述する二次電池５３から供給される電力で駆動される。
【００１９】
このような水素ガス循環供給系で２０は、水素ガス供給配管２３の水素ガス圧力に応じたシステムコントローラ６０の制御により、水素ガス圧力調整弁２２の開度を制御することで、水素ガス供給源２１から水素ガス供給配管２３を介して供給される水素ガスを、当該燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して、燃料電池スタック１０のアノード１１へ供給する。
【００２０】
また、水素ガス循環供給系２０では、システムコントローラ６０の制御により、燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する水素ガス流量を、出力電流に相当する反応水素ガス流量より当量比を大きくすることで、複数のセルで構成される燃料電池スタック１０の各セルに、不足なく水素ガスが供給できるようにされている。
【００２１】
さらにまた、発電を継続するにつれて、燃料電池スタック１０のアノード１１には、水素ガス以外の不純物ガス、例えば窒素などが蓄積され、水素濃度を減少させてしまう。水素濃度が減少すると発電効率の低下、燃料電池スタック１０の劣化を招くので、システムコントローラ６０は、水素ガス排出配管２４に接続された図示しないパージ弁の開度を制御することで、水素ガス排出配管２４を介して不純物ガスを排出するよう制御する。
【００２２】
空気ガス供給系３０は、空気を圧縮して空気ガスとして供給するコンプレッサや空気ガスを供給するブロワといった空気ガス供給装置３１と、加湿装置３２とを備えており、システムコントローラ６０の制御により、空気ガス供給装置３１の回転数を制御するなどして、空気ガスを燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して、燃料電池スタック１０のカソード１２へ空気ガス供給配管３３を介して供給する。不要な空気ガスは、排出される空気ガスの圧力を制御する圧力制御弁３４が設けられた空気ガス排出配管３５を介して排出される。
【００２３】
空気ガス供給装置３１をコンプレッサとする場合には、空気ガスが圧縮され昇温されるため、空気ガス供給装置３１の後段に昇温された空気ガスを冷却する図示しない冷却装置を設けるようにする。
【００２４】
加湿装置３２は、燃料電池スタック１０のカソード１２に供給する空気ガスを加湿する。このように、加湿装置３２は、カソード１２に供給する空気ガスを加湿することで、高分子電解質膜に水分供給をし、高分子電解質膜のイオン輸送能力を低下させることなく良好なイオン伝導性を保つように水分管理を行う。
【００２５】
このような空気ガス供給系３０の空気ガス供給配管３３には、空気ガス供給配管３３内を流れる空気ガスの流量を検出する空気流量計３６が設けられている。空気流量計３６で測定された空気ガスの流量は、システムコントローラ６０に出力される。
【００２６】
冷却系４０は、冷却水を循環させる冷却水ポンプ４１と、外気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータ４２と、ラジエータ４２に補給する冷却水を貯蔵するリザーバタンク４３と、燃料電池スタック１０を通過し、冷却水を供給する冷却水供給配管４４とを備えている。また、冷却水供給配管４４には、燃料電池スタック１０を冷却した冷却水をラジエータ４２をバイパスして循環させるバイパス配管４６が、三方弁４５を介して接続されている。ラジエータ４２を経由する冷却水の流量と、ラジエータ４２をバイパスさせる冷却水の流量との割合は、システムコントローラ６０により三方弁４５の各弁の開度を制御することで任意に調節することができる。
【００２７】
リザーバタンク４３には、当該リザーバタンク４３内の冷却水の温度を測定するタンク内温度検出センサ４７が設けられている。タンク内温度検出センサ４７で検出されたリザーバタンク４３内の冷却水温度は、システムコントローラ６０に出力される。
【００２８】
出力系５０は、燃料電池スタック１０で発電された電力を、システムコントローラ６０の制御に応じて所望の出力となるように制御しながら取り出す出力制御器５１と、出力制御器５１を介して出力された電力を図示しない負荷へと伝える負荷制御部５２とを備えている。また、出力系５０は、負荷制御部５２と並列に接続された二次電池５３を備え、出力制御器５１を介して取り出された燃料電池スタック１０で発電された電力や、負荷から回生された回生電力を充電する。
【００２９】
このような出力系５０には、燃料電池スタック１０からの出力電流を検出する電流計５４と、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する電圧計５５とが設けられている。電流計５４、電圧計５５で検出された燃料電池スタック１０の出力電流、出力電圧は、システムコントローラ６０に出力される。
【００３０】
システムコントローラ６０は、燃料電池システムを統括的に制御する制御手段である。システムコントローラ６０は、温度センサ１３、空気流量計３６、タンク内温度検出センサ４７、電流計５４、電圧計５５、燃料電池システムの外気温を検出する外気温度検出センサ５から出力された信号を読み込み、読み込んだ各種信号と内部に保有する制御ロジック（プログラム）とに基づき、運転指令に応じて最適な運転がなされるよう、水素ガス循環供給系２０、空気ガス供給系３０、冷却系４０、出力系５０をそれぞれ制御する。
【００３１】
また、システムコントローラ６０は、冷却水の流量を適切に制御することで、冷却系４０の温度分布の偏りを防止する。特に、低温環境下における温度分布の偏りの防止によって、冷却系４０の凍結を防止することができる。
【００３２】
続いて、システムコントローラ６０による、冷却水ポンプ４１の回転数制御による冷却水流量の制御により、冷却系４０の温度分布の偏りを防止する手法について説明をする。なお、以下において、燃料電池システムは、車両に搭載されているものとして説明をする。
【００３３】
［システムコントローラ６０による冷却水ポンプ４１の制御処理動作］
システムコントローラ６０は、タンク内温度検出センサ４７で検出されたリザーバタンク４３内の冷却水の温度に応じて、冷却水ポンプ４１の回転数、つまり冷却水ポンプ４１の仕事量を制御して一時的に冷却水流量を増加させ、冷却水ポンプ４１、ラジエータ４２、リザーバタンク４３、冷却水供給配管４４、三方弁４５、バイパス配管４６といった冷却系４０における温度分布の偏りを防止し、特に、低温環境下においては冷却系４０の凍結を防止することができる。
【００３４】
このとき、システムコントローラ６０は、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる時間である回転数増大時間と、回転数の増大量とをセンサなどから検出される各種条件に基づき決定する。そして、システムコントローラ６０は、決定した回転数増大時間で、決定した回転数となるように冷却水ポンプ４１を駆動制御することで、冷却系４０の冷却水流量を増加させる。
【００３５】
（回転数増大時間の算出処理）
まず、図２に示すフローチャートを用いて、システムコントローラ６０による、回転数増大時間の算出処理動作について説明をする。なお、図２に示すフローチャートを用いた説明をするにあたり、システムコントローラ６０が、図３に示すような回転数増大時間算出部６１を機能部として備えるものとして説明をする。この機能部の処理動作は、システムコントローラ６０が保持するプログラムによって実現される。
【００３６】
ステップＳ１において、外気温度検出センサ５によって燃料電池システムが搭載された車両周辺の外気温度を検出する。外気温度検出センサ５によって検出された外気温度は、システムコントローラ６０の回転数増大時間算出部６１に出力される。
【００３７】
ステップＳ２において、回転数増大時間算出部６１は、検出された外気温度に応じて冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる時間である回転数増大時間を算出する。回転数増大時間とは、回転数を通常の回転数から増大させた際に、増大した回転数を継続させる時間のことである。増大した回転数を継続させる時間、つまり回転数増大時間を増やせば、冷却系４０で循環される冷却水のトータルの流量が増加することになり、冷却系４０における温度分布の偏りを抑制することができる。
【００３８】
したがって、回転数増大時間算出部６１は、検出された外気温度が低いほど、つまり、冷却系４０における凍結の可能性が高いほど回転数増大時間を増やし、冷却系４０の温度分布が一様となるようにする。
【００３９】
システムコントローラ６０は、この回転数増大時間算出部６１で算出される回転数増大時間を用いて、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる時間を制御する。この回転数増大時間算出部６１で算出された回転数増大時間は、単純に、燃料電池システムが搭載された車両の外気温度に応じて算出されただけであるので、この回転数増大時間を初期値とし、実際の冷却水の温度を考慮して、この初期値を補正処理することで、回転数増大時間を最適化することもできる。以下にその手法について説明をする。
【００４０】
（回転数増大時間の最適化）
図４に示すフローチャートを用いて、回転数増大時間を最適化する処理動作について説明をする。なお、図４に示すフローチャートを用いた説明をするにあたり、システムコントローラ６０が、図５に示すような増大時間補正部６２、演算ブロック６３、演算ブロック６４を機能部として備えるものとする。この機能部の処理動作は、システムコントローラ６０が保持するプログラムによって実現される。
【００４１】
ステップＳ１１において、タンク内温度検出センサ４７によってリザーバタンク４３内の冷却水温度を検出する。タンク内温度検出センサ４７によって検出されたリザーバタンク４３内の冷却水温度は、システムコントローラ６０の増大時間補正部６２に出力される。
【００４２】
ステップＳ１２において、増大時間補正部６２は、まず、タンク内温度検出センサ４７によって検出された実際の冷却水温度（以下、実冷却水温度と呼ぶ。）と、冷却水の目標温度（以下、目標冷却水温度と呼ぶ。）とを比較する。
【００４３】
増大時間補正部６２は、比較した結果、上述した回転数増大時間算出部６１で算出された回転数増大時間分、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させたとしても、実冷却水温度を目標冷却水温度へと近付けることができないほど、実冷却水温度と目標冷却水温度との間に差異があると推定される場合には、ステップＳ１３へと進める。また、増大時間補正部６２は、回転数増大時間分、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させたことで、実冷却水温度を目標冷却水温度へと近付けることができると推定される場合には、ステップＳ１４へと進める。
【００４４】
なお、実冷却水温度との比較に用いる目標冷却水温度には、例えば、システムコントローラ６０のメモリにあらかじめ設定しておいた値を用いるようにしてもよいし、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させた際、つまり冷却系４０の温度分布が一様となっていると推定される状態での冷却水温度を時間で外挿して求めた値でもよいし、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる直前の冷却水温度に所定の値を加算して求めた値でもよい。また、目標冷却水温度には、リザーバタンク４３以外の箇所で検出された冷却水温度、例えば、燃料電池スタック１０への出入り口に設けられた温度検出センサの値のうち、流路的にリザーバタンク４３に近い側の温度検出センサで検出された値などを用いてもよい。
【００４５】
ステップＳ１３において、増大時間補正部６２は、実冷却水温度を目標冷却水温度へと近付けるように冷却水流量を増加させるべく、回転数増大時間算出部６１で算出された回転数増大時間を延長させる方向で補正処理を行う。具体的には、増大時間補正部６２は、回転数増大時間を延長させる延長時間情報を算出し、演算ブロック６４へと出力する。
【００４６】
ステップＳ１４において、演算ブロック６３は、回転数増大時間算出部６１で算出された回転数増大時間からタイマ６０Ｔで計測される冷却水ポンプ４１の回転数を増大させた実時間を減算し、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる残り時間を算出する。また、演算ブロック６４は、演算ブロック６３で算出された回転数を増大させる残り時間に、増大時間補正部６２で算出された延長時間情報で示される延長時間を加算して、初期値の回転数増大時間を補正して最適化させた際の、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる残り時間を算出する。そして、システムコントローラ６０は、演算ブロック６４で算出された回転数を増大させる残り時間に基づき、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる期間を管理する。
【００４７】
このように、システムコントローラ６０は、タンク内温度検出センサ４７によって検出されたリザーバタンク４３内の冷却水温度の推移に応じて変化する延長時間情報にて、外気温度検出センサ５で検出された外気温度に基づき算出された回転数増大時間を補正して最適化することができる。
【００４８】
システムコントローラ６０は、一定時間毎又はタンク内温度検出センサ４７によって検出されるリザーバタンク４３内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングで、この回転数増大時間だけ冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる。システムコントローラ６０は、回転数増大時間を経過した後、増大させた冷却水ポンプ４１の回転数を通常の回転数へと戻す。
【００４９】
また、システムコントローラ６０は、回転数を増大させるタイミングをタンク内温度検出センサ４７によって検出されるリザーバタンク４３内の冷却水の温度に基づき決定する場合、検出された冷却水の温度が、例えば、あらかじめ定められた冷却水が凍結する虞がない温度レベル以下となったタイミングを回転数を増大させるタイミングとする。
【００５０】
なお、冷却水ポンプ４１は、システムコントローラ６０の制御により、上述したように回転数増大時間分だけ回転数が増大されることになるが、回転数増大時間を経過した後は、再び通常の回転数で制御されることになる。システムコントローラ６０は、このように、冷却水ポンプ４１を通常の回転数で制御する場合には、図５で示したタイマ６０Ｔによる回転数増大時間の計測をリセットし、ゼロとする。
【００５１】
（回転数の増大量の算出処理）
次に、図６に示すフローチャートを用いて、システムコントローラ６０による、回転数の増大量の算出処理動作について説明をする。なお、図６に示すフローチャートを用いた説明をするにあたり、システムコントローラ６０が、図７に示すような目標回転数算出部６５、目標回転数算出部６６、回転数制限算出部６７、発電電力算出部６８、回転数制限算出部６９、選択ブロック７０、選択ブロック７１を機能部として備えるものとする。この機能部の処理動作は、システムコントローラ６０が保持するプログラムによって実現される。
【００５２】
ステップＳ２１において、タンク内温度検出センサ４７によってリザーバタンク４３内の冷却水温度を検出する。タンク内温度検出センサ４７によって検出されたリザーバタンク４３内の冷却水温度は、システムコントローラ６０の第１の目標回転数を算出する目標回転数算出部６５と、第２の目標回転数を算出する目標回転数算出部６６に出力される。
【００５３】
ステップＳ２２において、システムコントローラ６０は、目標回転数算出部６５、６６に出力されたリザーバタンク４３内の冷却水温度が冷却水の氷点である０℃近傍の所定の温度以下であるかどうかを判断する。システムコントローラ６０は、冷却水温度が０℃近傍の所定の温度以下でない場合にはステップＳ２３へと進め、０℃近傍の所定の値以下である場合にはステップＳ３０へと進める。
【００５４】
ステップＳ２３において、外気温度検出センサ５によって燃料電池システムが搭載された車両周囲の外気温度を検出する。外気温度検出センサ５によって検出された外気温度は、システムコントローラ６０の目標回転数算出部６５に出力される。
【００５５】
ステップＳ２４において、目標回転数算出部６５は、タンク内温度検出センサ４７によって検出されたリザーバタンク４３内の冷却水温度と、外気温度検出センサ５によって検出された燃料電池システムが搭載された車両周囲の外気温度に基づき、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる際の基本の回転数となる第１の目標回転数を算出する。目標回転数算出部６５は、リザーバタンク４３内の冷却水温度が氷点に近くなるほど、外気温度が低くなるほど、冷却水ポンプ４１の回転数が大きくなるような傾向で第１の目標回転数を算出する。
【００５６】
具体的には、目標回転数算出部６５は、リザーバタンク４３内の冷却水温度及び燃料電池システムが搭載された車両周囲の外気温度を引数とする演算式から第１の目標回転数を算出する。また、あらかじめ冷却水温度及び外気温度と第１の目標回転数とを対応付けてテーブルとして記憶しておき、このテーブルを参照することで第１の目標回転数を取得するようにしてもよい。
【００５７】
このように、タンク内温度検出センサ４７によって検出されるリザーバタンク４３内の冷却水温度と、外気温度検出センサ５によって検出される外気温度とから冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる際の基本の回転数である第１の目標回転数を求めることができる。目標回転数算出部６５で算出された第１の目標回転数は、選択ブロック７０に出力される。
【００５８】
なお、目標回転数算出部６５が第１の目標回転数を求める際、少なくともタンク内温度検出センサ４７によって検出されるリザーバタンク４３内の冷却水温度が分かっていればよく、必ずしも外気温度検出センサ５によって検出される外気温度を用いる必要はない。
【００５９】
ところで、このようにして求められた第１の目標回転数となるように、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させた場合、燃料電池システムを搭載した車両の状態によっては、回転数増大、つまり仕事量の増大に伴い高くなる冷却水ポンプ４１の駆動音による騒音が問題となる。そこで、システムコントローラ６０は、以下に示すステップにおいて、車両の状態を取得し、この車両の状態に基づき目標回転数算出部６５で算出された第１の目標回転数に制限を与えるようにする。
【００６０】
まず、ステップＳ２５において、燃料電池システムが搭載された車両に備えられた車両速度検出センサ６によって、車両の現在の速度を検出する。車両速度検出センサ６によって検出された車両の速度は、システムコントローラ６０の回転数制限算出部６７に出力される。
【００６１】
ステップＳ２６において、回転数制限算出部６７は、車両速度検出センサ６によって検出された車両の速度に基づき、ステップＳ２４で算出された第１の目標回転数を制限した制限回転数を算出する。
【００６２】
一般に、車両の速度が速くなるに伴って車両の走行音は大きくなる。したがって、車両の速度が速い場合には走行音が大きくなるため、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させても駆動音が騒音となる可能性が低い。逆に、車両の速度が遅い場合には走行音が小さくなるため、回転数を増大させた冷却水ポンプ４１の駆動音が騒音となる可能性が高い。
【００６３】
そこで、このステップＳ２６では、このような車両の速度と走行音との関係に基づき、車両の速度に応じて、冷却水ポンプ４１の駆動音が騒音とならないように第１の目標回転数を最適化した制限回転数を算出する。回転数制限算出部６７で算出された制限回転数は、選択ブロック７０に出力される。
【００６４】
ステップＳ２７において、発電電力算出部６８は、電流計５４で検出される燃料電池スタック１０の出力電流と、電圧計５５で検出される燃料電池スタック１０の出力電圧とから、燃料電池スタック１０で発電される電力量を求める。
【００６５】
ステップＳ２８において、回転数制限算出部６９は、発電電力算出部６８で算出された燃料電池スタック１０で発電される電力量に基づき、ステップＳ２４で算出された第１の目標回転数を制限した制限回転数を算出する。
【００６６】
燃料電池スタック１０で発電される電力量が高い場合、燃料電池スタック１０のカソード１２へ空気ガスを供給する空気ガス供給装置３１の仕事量が増え、空気ガス供給装置３１の駆動音も大きくなる。つまり、このような状況で、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させても冷却水ポンプ４１の駆動音が騒音となる可能性が低いといえる。また、燃料電池スタック１０で発電される電力量が高い場合、燃料電池スタック１０の発熱量が高くなってしまう。
【００６７】
したがって、燃料電池スタック１０で発電される電力量が高い場合には、燃料電池スタック１０の発熱量を抑制させるべく冷却水ポンプ４１の回転数を増大させたとしても、駆動音が騒音となりにくい。
【００６８】
一方、燃料電池スタック１０で発電される電力量が低い場合、燃料電池スタック１０のカソード１２へ空気ガスを供給する空気ガス供給装置３１の仕事量が減り、空気ガス供給装置３１の駆動音も小さくなる。つまり、このような状況で、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させると冷却水ポンプ４１の駆動音が騒音となってしまう可能性が高い。また、燃料電池スタック１０で発電される電力量が低い場合、燃料電池スタック１０の発熱量も低いままである。
【００６９】
したがって、燃料電池スタック１０で発電される電力量が低い場合には、燃料電池スタック１０の発熱量を抑制させる必要もないし、冷却水ポンプ４１の回転数を増大させると、駆動音が騒音となってしまう。
【００７０】
そこで、このステップＳ２８では、このような燃料電池スタック１０で発電される電力量と、空気ガス供給装置３１の駆動音並びに燃料電池スタック１０の発熱量との関係に基づき、燃料電池スタック１０の発熱量に応じて、冷却水ポンプ４１の駆動音が騒音とならないように第１の目標回転数を最適化した制限回転数を算出する。回転数制限算出部６９で算出された制限回転数は、選択ブロック７０に出力される。
【００７１】
ステップＳ２９において、選択ブロック７０は、目標回転数算出部６５で算出された第１の目標回転数と、回転数制限算出部６７で算出された車両の速度に基づき算出された制限回転数又は回転数制限算出部６９で算出された燃料電池スタック１０で発電された電力量に基づき算出された制限回転数とを比較して、回転数の低い方を選択する。選択ブロック７０は、選択した回転数を選択ブロック７１へと出力する。
【００７２】
なお、回転数制限算出部６７で算出された制限回転数と、回転数制限算出部６９で算出された制限回転数とでは、どちらか一方のみが有効であってもよい。
【００７３】
ステップＳ３０において、目標回転数算出部６６は、タンク内温度検出センサ４７によって検出されたリザーバタンク４３内の冷却水温度に基づき冷却水ポンプ４１の回転数を増大させる際の基本の回転数となる第２の目標回転数を算出する。目標回転数算出部６６で算出される第２の目標回転数は、第１の目標回転数とは異なり、回転数制限算出部６７、６９で算出された回転数との比較による制限を受けることがない。
【００７４】
つまり、目標回転数算出部６６で算出される第２の目標回転数は、タンク内温度検出センサ４７で検出されたリザーバタンク４３内の冷却水の温度から、リザーバタンク４３内の冷却水に凍結の虞があると判断される場合、冷却水ポンプ４１の回転数を制限をかけずに単純に増大させて冷却水流量を増加させることを目的として算出される値である。
【００７５】
したがって第２の目標回転数を用いると、０℃近傍の低温環境下において冷却系４０における冷却水の経路や、冷却系４０を構成する各部品内の温度分布の偏りを低減することが可能となり、リザーバタンク４３を始めとする冷却系４０の部分的な凍結を防止することができる。
【００７６】
具体的には、目標回転数算出部６６は、あらかじめ設定された所定値を用いて第２の目標回転数としたり、回転数を増大させる前の通常制御時の回転数にあらかじめ設定された所定値を加算することで第２の目標回転数を算出する。目標回転数算出部６６で算出された第２の目標回転数は、選択ブロック７１に出力される。
【００７７】
ステップＳ３１において、選択ブロック７１は、選択ブロック７０で選択された車両状態に基づく騒音が考慮された回転数と、目標回転数算出部６６で算出された冷却水の凍結を考慮した第２の目標回転数とを比較して回転数の大きい方を選択し、これを第３の目標回転数として出力する。この選択ブロック７１は、冷却水ポンプ４１の回転数が増大することにより発生する騒音の低減よりも、０℃近傍の低温環境下における冷却系４０の温度分布の偏りの防止を優先的に実行することで、冷却系４０の凍結を防止を図るためのブロックである。
【００７８】
システムコントローラ６０は、このように選択ブロック７１で選択された第３の目標回転数で、上述したようにして求められた目標回転数増大時間だけ、冷却水ポンプ４１を駆動制御することで、冷却系４０における冷却水流量を増加させる。
【００７９】
このように、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムは、タンク内温度検出センサ４７で検出されるリザーバタンク４３内の冷却水温度、外気温度検出センサ５で検出される燃料電池システムが搭載された車両の外気温度に基づき、システムコントローラ６０により、冷却水ポンプ４１の回転数増大時間、第３の目標回転数を算出する。
【００８０】
そして、システムコントローラ６０は、算出した第３の目標回転数で、一定時間毎又はタンク内温度検出センサ４７によって検出されるリザーバタンク４３内の冷却水の温度に基づき決定されるタイミングにて、目標回転数増大時間だけ冷却水ポンプ４１の回転数が増大するよう駆動制御することにより、冷却系４０の冷却水流量を、最適なタイミングで最適な期間だけ、最適な量となるよう増加させることができるため、冷却系４０を構成するリザーバタンク４３内の温度分布や、各冷却経路内の温度分布に偏りが発生するのを防止することができる。したがって、低温環境下での温度分布の偏りによって生ずる冷却系４０の部分的な凍結を防止することができる。
【００８１】
また、車両速度や燃料電池スタック１０の発電電力量に応じて、冷却水ポンプ４１の回転数を制限し最適化することで、冷却水ポンプ４１の駆動音が騒音となってしまうことを回避することができる。
【００８２】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明するための図である。
【図２】回転数増大時間を算出する処理動作について説明するためのフローチャートである。
【図３】回転数増大時間を算出する処理を実行するシステムコントローラの機能部の一例を示した図である。
【図４】回転数増大時間を最適化する処理動作について説明するためのフローチャートである。
【図５】回転数増大時間を最適化する処理を実行するシステムコントローラの機能部の一例を示した図である。
【図６】回転数を算出する処理動作について説明するためのフローチャートである。
【図７】回転数を算出する処理を実行するシステムコントローラの機能部の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０  燃料電池スタック
２０  水素ガス循環供給系
３０  空気ガス供給系
４０  冷却系
４１  冷却水ポンプ
４２  ラジエータ
４３  リザーバタンク
４４  冷却水供給配管
４７  タンク内温度検出センサ
５０  出力系
６０  システムコントローラ
６０Ｔ  タイマ
６１  回転数増大時間算出部
６２  増大時間補正部
６３  演算ブロック
６４  演算ブロック
６５  目標回転数算出部
６６  目標回転数算出部
６７  回転数制限算出部
６８  発電電力算出部
６９  回転数制限算出部
７０  選択ブロック
７１  選択ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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